浅谈钢结构的设计

孙兵

摘 要:本文是作者近十年的工作经验总结，主要论述了钢结构设计中存在的一些问题,并对其存在的问题做出了相应的解决方法。

关键词:钢结构设计 结构构造

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

1 钢结构概述

随着社会经济的发展，钢结构厂房在我国建筑行业中也随之迅速的发展,在钢筋混凝土建筑之后,钢结构厂房是最具革命性的建筑新发展和新应用之一。与传统的钢筋混凝土结构相比,钢结构的优点主要表现在以下几方面:一、钢结构的强度大相同跨度的厂房钢结构的材质更轻，从而减轻结构的自重。二、钢结构开间和跨度可以做的更大，内部分割更灵活。三、因为钢结构的自重轻（部分楼面采用钢格栅、屋面墙面可以采用夹芯彩钢板），地震作用力比混凝土结构要小，从而也减小了基础设计的内力，降低基础造价。四、钢结构材料的延性好，地震作用下能吸收更多的地震能量，地震来临的时候有相对较多的时间逃生。五、钢结构施工速度快，对于一些资金紧张（比如建设需要大量的银行贷款，或者急需早日投产的项目）的企业来说，这些往往是决定性的因素。

2 钢结构设计

2.1 收集资料

钢结构设计过程的前期资料准备工作首先就是要收集环境资料,包括:使用年限内的基本风速、风压和雪压;当地的土壤类别;大气中是否含腐蚀性成分;当地地震基本烈度及建筑物抗震设防分类标准和设计基本地震加速度值等等。其次,必须收集规范和标准,目前我国现时实行的主要设计规范是《钢结构设计规范》GB50017-2003。再次,要了解结构设计的习惯做法,例如:坡口焊与刨平顶紧的使用,插入式柱脚和锚栓式柱脚的使用,建筑墙体采用开敞还是封闭等。

2.2 确定结构体系、柱网

钢结构体系主要由横向结构系统和纵向结构系统组成。横向系统的具体情况根据工艺要求、厂房刚度要求、结构受力情况、材料选用情况等确定。纵向系统一般由柱及其支撑、托架、吊车梁及制动梁或桁架、墙梁等组成。

柱网的确定一般依据工艺要求、经济柱距及跨度、建筑美观等方面。造价主要包括基础费用,钢材用量、制作安装难度及进度等。跨度的确定一般根据工艺的要求。厂房的划分由起重量Q确定,当Q≤20t为轻型厂房;当30t≤Q≤75t为中型厂房;当100t≤Q≤250t为重型厂房;当Q>250t为特重型厂房。根据多年设计经验总结,经济柱距为:重型厂房地基差时宜采用24m,中型厂房地基差时采用18m、15m,轻型厂房采用12m;地基较好时厂房一般宜采用12m、18m柱距。经济柱距的确定还应考虑吊车轨面标高等因素。

2.3 设计荷载及荷载效应的计算

结构设计应考虑的荷载包括:风载,地震荷载,活荷载,吊车荷载。按承载能力极限状态设计钢结构时,应考虑荷载组合。荷载的标准值、荷载分项系数、荷载组合值系数、动力荷载的动力系数等应采用现行的国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009中的规定。结构重要性系数γ0应采用现行国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068中的规定。

根据《钢结构设计规范》GB50017中的规定,说明如何计算吊车荷载:作用于每个轮压处的水平力标准值:Hk=αPkmax;Pkmax:吊车最大轮压标准值;α:系数,一般软钩吊车α=0.1,抓斗或磁盘吊车α=0.15,硬钩吊车α=0.2。

2.4 结构构造

钢结构的主材是根据不同钢型号的物理性能确定的,如:屈服强度和抗拉强度。高强螺栓是根据屈服强度、抗拉强度、承剪切能力、抗滑移能力和扭矩值来确定的。

3 钢结构厂房设计中应注意的问题

3.1 钢结构的腐蚀及防腐

造成钢结构腐蚀的原因很多。首先是环境因素,钢结构长期暴露在相对湿度比较大的环境中,就会产生腐蚀现象,而且环境中的酸、盐等化学物质也会使钢结构的腐蚀加速;其次是由于设计的不合理,例如:钢架和墙体之间应该保留足够的空间,便于维护;还有施工时控制不良,主要是由于涂料质量控制及施工过程涂膜厚度的检查不严格造成腐蚀问题出现。

钢结构的腐蚀生锈降低钢结构的强度和承载能力,减少钢结构的使用寿命,一旦由于腐蚀造成钢结构变形、断裂、垮塌就会造成难以挽回的损失,并且钢结构腐蚀影响建筑物的美观。因此,当务之急是做好防腐工作。选择防腐涂料要考虑涂料的防腐年限、保光保色性、是否便于维修等。防腐蚀年限小于5年为短期防腐蚀、5年至15年为中等防腐蚀、大于15年为长效防腐蚀。室外钢结构宜采用环氧富锌底漆两度、环氧云铁中间漆两度、聚氨酯面漆两度,总漆膜厚度不小于150μm的长效防腐涂料。室内钢结构宜采用铁红醇酸底漆一度、云铁醇酸防锈漆一度、醇酸面漆两度,总漆膜厚度160μm。

3.2 钢材及连接材料的选择

钢结构既承受静力荷载又承受动力荷载,必须根据其所受的荷载情况选用适当的钢材,直接承受动力荷载的钢材应具有较高的质量,需要验算疲劳的钢材对综合性能要求更高。承重结构的钢材根据规范宜采用Q345钢、Q390钢和Q420钢。承重结构采用的钢材应保证在抗拉强度、伸长率、屈服强度含量等方面必须符合规定,。对受拉和受弯的钢材应选用较高质量的,防止钢材产生断裂。焊接结构钢材的质量要求应高于同样情况的非焊接结构钢材,应保证含碳、硫、磷的量符合规定。钢中硫含量过高会造成钢材的热脆现象，而磷含量过高会造成钢材的冷脆现象，对经常处于或可能处于较低温度下工作的钢结构,尤其是焊接结构,应选用化学成分和力学性能质量较好的钢材。钢材质量等级:Q345钢、Q390钢和Q420钢可分有A、B、C、D、E五级。下表描述了焊接结构和非焊接结构在不同的工作温度下所使用的不同的钢材质量等级。

如表1所示。

表1

3.3 钢材焊接裂缝

焊缝裂纹出现的原因:(1)厂家的焊接质量较差,同时运输过程中的振动使原始的裂缝加大甚至开裂。为了保证安全,质检人员应该重视这些焊缝、加强对焊缝的检验力度,保持大板梁等长度较大钢结构在吊装运输过程中受力均匀、不发生大的变形,以避免裂缝的出现。(2)焊接时焊剂焊条潮湿、焊接坡口没有清理,在气体保护焊时,有油污、气体保护不当进入空气,导致气孔的产生,可能引起裂缝。因此在焊接前,要将焊接部位彻底清理干净,在钢结构制作过程中要按照焊接相关规程对钢材进行保管存放,对于存在气孔的部位要引起高度的注意,防止焊接裂缝产生。

4 结语

结构设计在一个良好的工程中至关重要。在结构设计中不能只考虑材料的优点,更要重视材料的缺点。钢结构在工程中有很多优点,并且已经在我国的建筑领域广泛应用,但是它的缺点也是不可忽视的,所以在设计过程中要全面考虑各方面的因素,才不会在日后的使用中出现问题。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。